DE19942834C2

DE19942834C2 - Rocket engine

Info

Publication number: DE19942834C2
Application number: DE1999142834
Authority: DE
Inventors: Joachim Mezger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: DE19942834A1

Description

Verfahren zur Schubkrafterhöhung eines Plasmaantriebes, insbesondere für Flug zeuge und Orbitaltransportern, in welchem insbesondere durch die Einleitung eines Arbeitsgases in einen Lichtbogen ein Plasmastrahl erzeugt wird, soweit ein Plasmaantrieb zur Ausführung dieses Verfahrens, mit einem Plasmabrenner des sen Düse in Ausstoßrichtung angeordnet ist.Method for increasing the thrust of a plasma drive, in particular for flight witnesses and orbital transporters, in particular through the introduction a working gas is generated in an arc, a plasma jet, as far as a Plasma drive to carry out this process, with a plasma torch sen nozzle is arranged in the discharge direction.

Von den bekannten und zum Teil in der Erprobungsphase befindlichen Raketen antriebwerken sind sowohl Feststofftriebwerke als auch Flüssigtriebwerke zu nen nen.Of the well-known rockets, some of which are still being tested engines are both solid and liquid engines nen.

Beim Feststofftriebwerk erfolgt die Erzeugung der für den Schub erforderlichen Gase durch das Abbrennen fester, chemischer Vebindungen. Das dadurch erzeugte Gas strömt durch eine Düse und erzeugt dabei den Vortrieb. Der Vorteil liegt im einfachen Aufbau des Triebwerkes und in der Erzeugung von gleichmäßi gem Schub. Nachteile sind das schwer kontrollierbare Abbrennen und die damit verbundene mangelnde Schubkontrolle durch Regelung der Ausströmgeschwin digkeit. Ferner können Feststofftriebwerke nicht während des Betriebes abgeschal tet werden und auch ein Neustart ist nicht möglich. Die Herstellung ist aufwendig, da für ein gleichmäßiges Abbrennen der Festoff rißfrei gegossen werden muß, so daß ein langer Abkühlprozess erforderlich ist. Die bei der Verbrennung entstehen den Gase sind desweiteren umwelt- und gesundheitsschädlich.The solid thrust engine generates the thrust required Gases from burning solid chemical compounds. That through generated gas flows through a nozzle and generates the propulsion. The advantage lies in the simple structure of the engine and in the generation of even according to thrust. Disadvantages are the difficult to control burning and with it associated lack of thrust control by regulating the outflow rate efficiency. Furthermore, solid fuel engines cannot be shut down during operation and a restart is not possible. The production is complex, since the Festoff must be poured crack-free for a uniform burning, so that a long cooling process is required. Which arise during the combustion the gases are also harmful to the environment and human health.

Bei Flüssigtriebwerken werden ein bis drei Treibstoffkomponenten verwendet. Am häufigsten kommen Zweikomponententriebwerke zum Einsatz. Hierbei werden ein Treibstoff und ein Oxidator in separaten Tanks gelagert und in der Brennkammer gemischt und gezündet. Hauptsächlich kommen aggressive Treibstoffe wie Hydrazin oder Methylnitrat oder Wasserstoff und Sauerstoff zum Einsatz. Der Vorteil liegt in der Regelbarkeit der Ausströmgeschwindigkeit und somit des Schubs. Nachteile sind die reaktionsfreudige Treibstoffe. die schweren Druck behälter und die Komplexität der Gesamtanlage.One to three fuel components are used in liquid engines. At the two-component engines are most often used. Here, a Fuel and an oxidizer are stored in separate tanks and in the combustion chamber mixed and ignited. Mainly come aggressive fuels like Hydrazine or methyl nitrate or hydrogen and oxygen are used. The The advantage lies in the controllability of the outflow speed and thus the Nudges. Disadvantages are the reactive fuel. the heavy pressure container and the complexity of the overall system.

Daneben sind Triebwerke weiterer Technologien bekannt, die jedoch weitest gehend mit dem Nachteil behaftet sind, entweder für Raumsonden nur unzurei chende Schubstärken zu erreichen, oder deren Antriebstechniken stark umwelt gefährdend oder gar technisch nicht beherrschbar sind.In addition, engines of other technologies are known, but they are widely used are disadvantageous, either insufficient for space probes to reach appropriate thrust strengths, or their drive technology is strongly environmentally are dangerous or not technically manageable.

Einer weiteren Antriebstechnik sind Plasmatriebwerke unterzuordnen, bei denen der Treibstoff elektrisch leitfähig gemacht wird, indem man den Treibstoff durch einen Lichtbogen leitet (Elektrothermischer Antrieb) oder durch Induktionsfelder, ähnlich wie bei einem Slavinoff-Brenner, magnetische Induktion. Dadurch geht der Treibstoff vom gasförmigen in den Plasmazustand und erzeugt durch die aus dem Temperaturzuwachs entstehende Auströmgeschwindigkeit den Antrieb. Eine weitere Möglichkeit die Geschwindigkeit zu erhöhen besteht darin, das elektrisch geladene Plasma über Magnetfelder zu beschleunigen.Another drive technology is subordinate to plasma engines, in which the fuel is made electrically conductive by passing the fuel through conducts an arc (electrothermal drive) or through induction fields, similar to a Slavinoff burner, magnetic induction. This makes the Fuel from the gaseous to the plasma state and generated by the from the Outflow velocity caused by the temperature increase the drive. A Another way to increase the speed is to do it electrically accelerate charged plasma via magnetic fields.

Aus der CH 665 004 A5 ist ein Triebwerk für Luft- und Raumfahrzeuge bekannt, bei welchem der Schub durch mit hoher Geschwindigkeit über eine Düse ausgestoßenes Wasser erzeugt wird. Dabei wird zunächst das Wasser auf 300 bis 400°C überhitzt und über die Düse entspannt. Dies setzt Wärmetauscher und hochdruckfeste Behältnisse voraus, und ist daher relativ aufwendig.An engine for aircraft and spacecraft is known from CH 665 004 A5, where the thrust through at high speed through a nozzle ejected water is generated. First, the water is 300 overheated up to 400 ° C and relaxed via the nozzle. This sets heat exchangers and high-pressure-resistant containers ahead, and is therefore relatively expensive.

In der US 5,477,672 A ist ferner der Antrieb einer Turbine beschrieben, Wasser stoffperoxid wird zersetzt und reagiert mit einem Brennstoff. Dieses Treibgas weist geringere Toxizität und höhere Lagerfähigkeit auf. In US 5,477,672 A the drive of a turbine is also described, water Peroxide is decomposed and reacts with a fuel. This propellant shows lower toxicity and longer shelf life.

Die vorliegende Erfindung hat sich gegenüber diesem Stand der Technik die Auf gabe gestellt, ein Verfahren zum Antrieb für Flugkörper, wie insbesondere Raum fahrzeuge (Raketen) zu schaffen, bei welchem die Abgase umweltunschädlich sind, welches konstruktiv einfach durchzuführen ist und welches auch im Welt raum vorhandene Rohstoffe und Energiequellen zu nutzen vermag.The present invention has compared to this prior art Gabe provided a method for propelling missiles, such as space in particular to create vehicles (rockets) in which the exhaust gases are environmentally harmless are which is structurally easy to carry out and which also in the world can use existing raw materials and energy sources.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Erzeugung des Schubs von Raketenmotoren, unter Verwendung von Wasser als Stützmasse erfindungsgemäß dadurch, daß man zunächst ein Edelgasplasma erzeugt und dieses aufrechterhält, in das Plasma flüssiges Wasser eingespritzt und den ent stehenden Wasserdampf durch die Düse des Raketenmotors ausleitet.This problem is solved with a method for generating the Rocket engine thrusts using water as a support mass according to the invention in that firstly a noble gas plasma is generated and maintains this, liquid water is injected into the plasma and ent expels standing steam through the nozzle of the rocket engine.

Es liegt auf der Hand, daß ausgestoßener Wasserdampf keine Umweltbelastung darstellt. Darüber hinaus ist Wasser auf benachbarten Himmelskörpern und elek trische Energie über Solarzellen verfügbar.It is clear that water vapor emitted has no environmental impact represents. In addition, water is on neighboring celestial bodies and elec electrical energy available via solar cells.

Das Plasma weist einen hohen Energieinhalt auf, der eingespritztes Wasser als Stützmasse schlagartig verdampft und über die Düse der Raketenmotors beschleunigt austreibt um so den erforderlichen Schub zu bewirken. Hinzu kommt das bestehende Druckgefälle zwischen der sich durch die Energiezufuhr ausdeh nenden Stützmasse in der Brennkammer und dem geringeren Druck außerhalb der Düse, so daß sich die Entweichgeschwindigkeit der entweichenden Stütz masse aus der Düse erhöht.The plasma has a high energy content, the injected water as Support mass evaporated suddenly and over the nozzle of the rocket engine drives out faster to bring about the necessary thrust. Come in addition the existing pressure drop between which expands due to the energy supply supporting mass in the combustion chamber and the lower pressure outside the nozzle, so that the escape speed of the escaping support mass increased from the nozzle.

Bei der Verwendung von Wasser als Stützmasse erweist sich dessen einfache Lagerung und Transport als Vorteil. Die Form der Vorratstanks ist nahezu beliebig und stellt somit kein Einbauhindernis dar. Bevorzugterweise kommt destilliertes Wasser zum Einsatz, da dies neben einem reibungslosen Ablauf des Verfah rensprozesses auch sicherstellt, daß Ablagerungen an Bauteilen weitestgehend ausgeschlossen sind. Auch Unregelmäßigkeiten in der Einspritzung werden durch die Vermeidung von Ablagerungen nahezu ausgeschlossen. Um ein Auskühlen der Stützmasse, insbesondere der hierzu verwendeten Wassers zu verhindern, können die Tanks und auch die Treibstoffsysteme leicht isoliert werden. Auch, kann eine elektrische Begleitheizung, die aus der Stromversorgung des Plasma brenners gespeist wird, zum Einsatz kommen.When water is used as a supporting mass, it turns out to be simple Storage and transport as an advantage. The shape of the storage tanks is almost arbitrary and thus does not represent an obstacle to installation Water is used, as this is in addition to a smooth process process also ensures that deposits on components are largely excluded are. Irregularities in the injection are also eliminated the avoidance of deposits is almost impossible. To cool down to prevent the supporting mass, in particular the water used for this purpose, the tanks and the fuel systems can be easily isolated. Also, can be an electrical trace heater that comes from the power supply to the plasma is fed to the burner.

Für die Verwendung von Arbeitsgas werden Argon und Helium vorgeschlagen die, in Druckgefäßen gelagert, keine große Gefahr darstellen. Die Intensität des Plas mastrahls und die Dosierung der beizugebenden Menge an Stützmasse wird mit Hilfe von Steuer- und Regelungsanlagenteile beherrscht.Argon and helium are proposed for the use of working gas. stored in pressure vessels, pose no great danger. The intensity of the plasma mastrahls and the dosage of the amount of support mass to be added is included Mastered control and regulation system parts.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Plasmaantrieb vor geschlagen, bei dem die Düse des Plasmabrenners ein zur Einführung von Stützmasse geeignetes Zuführelement besitzt.A plasma drive is used to carry out the method according to the invention struck, in which the nozzle of the plasma torch is used to introduce Supporting mass has a suitable feed element.

Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um eine Einspritzdüse, insbesondere um eine Kegelstrahldüse. Entsprechende Ventile für Steuer- und Regelungsvor gänge sorgen durch deren Anordung in den Leitungsstrecken dafür, daß die Dosierungen sowohl des Plasmastrahls als auch der zuzugebenden Stützmasse schubgerecht manipuliert werden können. Rückführleitungen sorgen für optimale Energieausbeutung.This is expediently an injection nozzle, in particular around a cone jet nozzle. Appropriate valves for control and regulation pre By arranging them in the pipelines, corridors ensure that the Dosages of both the plasma jet and the support mass to be added can be manipulated in accordance with thrust. Return lines ensure optimal Energy exploitation.

Durch Zugabemenge an Wasser und Plasmatemperatur läßt sich der Schub regeln. Es wird vorgeschlagen diesen etwa so einzustellen, daß am Düsenaustritt eine Temperatur von etwa 1500 bis 3000°C aufrechterhalten wird.The thrust can be increased by adding water and plasma temperature regulate. It is proposed to set this so that at the nozzle outlet a temperature of about 1500 to 3000 ° C is maintained.

Dem Edelgas kann dabei in an sich bekannter Weise als Inertgas Stickstoff zugemischt werden.The inert gas can be nitrogen as the inert gas in a manner known per se be added.

Weiterhin kann z. B. ein Teil des expandierten Wasserdampfes über eine Turbine geleitet werden, um mit Hilfe eines Generators Strom zu erzeugen. Furthermore, e.g. B. part of the expanded water vapor via a turbine be conducted to generate electricity with the help of a generator.

Um ein Auskühlen des Plasmas insbesondere bei bedarfsweise hoher Beschleu nigung zu vermeiden, kann erfindungsgemäß zusammen mit dem Wasser ein Brennstoff wie z. B. Methanol dem Plasma zugeführt werden, welches mit gleich zeitig eingeblasenem Sauerstoff aus geeigneter Quelle exotherm reagiert und die Leistung des Plasmas bzw. des Motors erhöht.In order to cool the plasma, in particular if there is a high level of acceleration Avoidance can, according to the invention, together with the water Fuel such as B. methanol can be supplied to the plasma, which with the same timely injected oxygen from a suitable source reacts exothermically and the Power of the plasma or motor increased.

Vorzugsweise besitzt der Plasmabrenner eine Ringanode mit Zuführelementen für die Einspritzung von Wasser. Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.The plasma torch preferably has a ring anode with feed elements for the injection of water. With the help of the attached figures, the present Invention explained in more detail.

In den Fig. 1 und 2 ist die Düse des nicht näher dargestellten Plasmabrenners 11 mit 1 bezeichnet.In Figs. 1 and 2, the nozzle of the plasma torch 11 is not shown in detail, is indicated 1.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung in ihrem schematischen Aufbau wiedergegeben, an Hand der auch das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird. Der Plasmabrenner 11 wird durch ein Arbeitsgas (Argon) aus dem Speicher 14 versorgt. In die Versorgungsleitung 32 zwischen Plasmabrenner 11 und Speicher 14 ist ein Druckventil 12 und ein Absperrventil 13 eingesetzt. Der Plasmabrenner 11 ist über eine Energiequelle 21, hier ein Generator, versorgt. Der im Brenner durch die Einleitung des Arbeitsgases durch einen Lichtbogen erzeugte Plasmastrom setzt sich in der Düse 1 fort. An geeigneter Stelle ist in der Düse 1 ein Zuführelement 2 angeordnet. Hierüber erfolgt die Einleitung der Stützmasse, (Wasser), das über die Versorgungsleitung 22 aus dem Tank 7 ent nommen wird. In der Versorgungsleitung 22 ist zwischen Tank 7 und der Pumpe 5 ein Ventil 6 angeordnet. Nach der Pumpe 5 ist ein weiteres Ventil 4 vorgesehen, dem in Richtung Düse ein Zulaufregelventil 3 folgt. In Fig. 1 a first embodiment of the invention is shown in its schematic structure, with reference to the method of the invention also will be explained. The plasma torch 11 is supplied with a working gas (argon) from the storage 14 . A pressure valve 12 and a shut-off valve 13 are inserted into the supply line 32 between the plasma torch 11 and the store 14 . The plasma torch 11 is supplied by an energy source 21 , here a generator. The plasma flow generated in the burner by the introduction of the working gas by an arc continues in the nozzle 1 . A feed element 2 is arranged in a suitable location in the nozzle 1 . This is used to introduce the support mass (water) which is removed from the tank 7 via the supply line 22 . A valve 6 is arranged in the supply line 22 between the tank 7 and the pump 5 . After the pump 5 , a further valve 4 is provided, which is followed by an inlet control valve 3 in the direction of the nozzle.

Die Fig. 2 gibt eine weitere, ergänzte Ausführungsform der Erfindung in schema tischer Darstellung wieder. Die Düse des Plasmabrenners 11 ist auch hier mit 1 bezeichnet. Die Versorgung mit Arbeitsgas erfolgt über die aus dem Speicher 14 austretende Leitung 32, auf deren Strecke sich ein Druckregelventil 12 und ein Absperrventil 13 befinden. Die Versorgungsleitung mündet in eine Ringanode 23, in der radial verteilte Zuführelemente 20 in Form von Einspritzdüsen eingesetzt sind. Die Zuführung der Stützmasse erfolgt über die aus dem Tank 7 führende Versorgungsleitung 22, auf deren Strecke neben einem Ventil 25 für eine Notver bindung die Ventile 4 und 6 angeordnet sind, die eine Pumpe 5 einschließen. Über die Leitung 42 erfolgt unter Zwischenschaltung des Zulaufregelventils 3 die Einspeisung der Stützmasse in das Zuführelement 20. Dem Transformator 50 ist ein Generator 21 vorgeschaltet, der über die Turbine 35 angetrieben wird. Diese wird über die Dampfleitung 40 gespeist, die aus der Düse 1 Dampf entnimmt. Der Turbinendampf wird über die Leitung 52 in die Düse 1 zurückgeführt. Fig. 2 shows a further, supplemented embodiment of the invention in a schematic representation again. The nozzle of the plasma torch 11 is also designated 1 here. The supply of working gas takes place via the line 32 emerging from the store 14 , along the route of which there is a pressure control valve 12 and a shut-off valve 13 . The supply line opens into a ring anode 23 , in which radially distributed feed elements 20 in the form of injection nozzles are inserted. The support mass is supplied via the supply line 22 leading from the tank 7 , on the route of which, in addition to a valve 25 for an emergency connection, the valves 4 and 6 are arranged, which include a pump 5 . The support mass is fed into the feed element 20 via the line 42 with the interposition of the inlet control valve 3 . A generator 21 is connected upstream of the transformer 50 and is driven by the turbine 35 . This is fed via the steam line 40 , which takes steam from the nozzle 1 . The turbine steam is returned to the nozzle 1 via line 52 .

Reference list

11

Düse
jet

22nd

Zuführelement
Feeding element

33rd

Zulaufregelventil
Inlet control valve

44th

Ventil
Valve

55

Pumpe
pump

66

Ventil
Valve

77

Tank
tank

1111

Plasmabrenner
Plasma torch

1212th

Druckregelventil
Pressure control valve

1313

Absperrventil
Shut-off valve

1414

Speicher
Storage

2020th

Zuführelement
Feeding element

2121

Energiequelle
Energy source

2222

Versorgungsleitung
supply line

2323

Ringanode
Ring anode

3232

Versorgungsleitung
supply line

3535

Dampfturbine
Steam turbine

4040

Rückführleitung
Return line

4141

Zuführleitung
Supply line

5050

Transformator
transformer

5252

Rückführleitung
Return line

Claims

1. A method for generating the thrust of rocket engines using water as a supporting mass, characterized in that firstly a noble gas plasma is generated and maintained, liquid water is injected into the plasma and the water vapor that is produced is discharged through a nozzle of the rocket engine.

2. The method according to claim 1, characterized in that as the noble gas Argon or helium is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that one The heat content of the plasma and the water injection in relation to each other which regulates so that an outlet temperature of about 1500 to 3000 ° C is maintained.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the inert gas an inert gas such. B. nitrogen is added.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the water is preheated before being injected into the plasma.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that one uses the escaping gas to drive a turbine.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that if necessary, one into the plasma or the hot steam Injects fuel.

8. rocket motor, consisting of a plasma torch and means ( 2 , 20 ) for injecting water into the hot area of the plasma.

9. rocket motor according to claim 8, characterized by a turbine ( 35 ) in the exhaust gas jet from the nozzle ( 1 ).

10. rocket motor according to claim 8 or 9, characterized by means for the Adding fuel.

11. rocket motor according to one of claims 8 to 10, characterized in that the plasma torch has a ring anode ( 23 ).